一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置

1.本发明属于地热能开采技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置。


背景技术：

2.随着社会经济发展，能源需求量日益增加，化石燃料储量随着大量开采日益减少，大量使用化石燃料使环境遭到破坏，高效开发利用新能源迫在眉睫。
3.地热是地球内部普遍存在的可再生资源，作为未来能源的组成部分，其具备以下优势：资源潜力大，分布广泛；资源开发基本可以做到零碳排放；资源稳定性好，不受日照、降水量等的影响；利用效率高；利用成本低。地热资源按照其温度分为高、中、低三种，低温地热资源开发利用技术已经比较完善，而中高温地热资源的开发利用方式还有较大的改进空间，例如增强型地热系统(egs)存在成本高、占地面积大、采热介质流失严重、效果不稳定的弊端。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，用于开采废弃油气井内地热、高中温地热资源、干热岩热能和地下自燃煤层热能，能够有效避免热短路，提高地热能的开采效率。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，包括中空结构的外管，外管的一端封闭设置，另一端的外侧设置有介质入口，外管的内部套装有内管，内管的顶端设置有介质出口，高压常温的二氧化碳从介质入口进入外管内，通过与外界换热后变为超临界二氧化碳从介质出口流出。
7.具体的，内管的管壁内设置有真空隔热腔。
8.具体的，外管与内管之间的流动空间内设置有螺旋翅片。
9.进一步的，螺旋翅片为可移动式。
10.具体的，外管的管壁外侧设置有加强肋。
11.进一步的，加强肋包括多个，沿外管的管壁轴向设置。
12.更进一步的，加强肋包括四个，间隔设置在外管上。
13.具体的，内管和外管同轴设置。
14.具体的，外管的下端面设置有导向锥。
15.具体的，内管和外管均包括多个，内管和外管一端的管壁内侧和另一端的管壁外侧对应设置有套管连接螺纹，多个内管和外管依次首尾设置密封连接。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，高压常温的二氧化碳从介质入口进入外管内，通过与外界换热后变为超临界二氧化碳从介质出口流出，采
用二氧化碳作为换热介质，与水相比，超临界二氧化碳比热容小，升温快，出口温度高，便于后期利用，超临界二氧化碳到达底部受热之后由于浮升力作用会向上流动，一定程度上节约了泵的功耗并且超临界二氧化碳还具备粘度系数小、扩散系数大、来源广泛、价格低廉等优点。
18.进一步的，内管壁内的真空隔热腔大大减小了换热后高温介质与入口处环空内低温介质和浅层地温地热的换热，有效防止了热短路现象的发生，保证了内管出口二氧化碳的温度。
19.进一步的，外管与内管之间的流动空间设有螺旋翅片，螺旋翅片形成的螺旋通道延长了二氧化碳的流动距离，增加了换热时间，能够使其进行充分换热，另外螺旋翅片还起到了支撑内管、提高套管结构强度、确保内管和外管的同轴设置。
20.进一步的，移动式螺旋翅片便于装置的运输、安装、维修或者更换。
21.进一步的，外管外壁面的加强肋，能够在不影响导热水泥固井的同时增大了装置与外界的换热面积，提高了换热量。
22.进一步的，多个加强肋充分增加了换热面积，沿外管壁轴向设置便于装置入井安装并保证其稳定性。
23.进一步的，过多加强肋增加了装置制作成本，四个加强肋间隔设置在外管上在能够增加换热面积的前提下，减少制作成本。
24.进一步的，内外管同轴设置便于螺旋翅片安装，并且能够减小流动阻力，保证流量均匀。
25.进一步的，外管底端设有导向锥，便于装置入井。
26.进一步的，为便于制造、运输、现场安装和维护，本装置为多段式连接，套管之间通过套管连接螺纹连接并密封。
27.综上所述，本发明能够对废弃油气井内地热、高中温地热资源、干热岩热能、地下自燃煤层热能进行开发利用，装置占地面积小，投资成本低。
28.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
29.图1为本发明的剖面结构示意图
30.图2为本发明的中间单段套管剖面结构示意图
31.图3为本发明的俯视结构示意图
32.图4为本发明的侧视结构示意图
33.图5为本发明的正视结构示意图。
34.其中：1.介质出口；2.内管；3.外管；4.加强肋；5.导向锥；6.螺旋翅片；7.介质入口；8.真空隔热腔；9.套管连接螺纹。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明提供了一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，采用高压常温液态换热介质由外管与内管之间的环状空间注入，换热过后的超临界换热介质从内管输出，内管壁中含有真空隔热腔，有效地减少了换热介质流出时与注入介质的热交换，避免发生热短路；内外管之间的环形通道内装有螺旋换热翅片，起到提高结构强度和强化换热的作用；外管管壁上设有加强肋，加强肋沿管长方向延伸，增大了外管与导热水泥的接触面积，提高换热效率，换热介质为超临界二氧化碳，其具备比热容小，出口温度高，流动换热性能好的优点。
43.请参阅图1、图3、图4和图5，本发明一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，包括内管2和外管3，内管2的两端设置有开口，同轴设置在外管3内，外管3为中空结构，下端封闭，上端一侧留有介质入口7，内部装有二氧化碳，高压常温的二氧化碳从外管3的介质入口7通入，通过与外界换热之后温度升高，成为超临界二氧化碳，从内管2顶端设置的介质出口1流出，到达装置的底部后由于浮升力作用向上流动，减小泵的功耗。
44.采用二氧化碳作为换热介质，与水相比，超临界二氧化碳比热容小，升温快，出口温度高，利于后期利用，此外，还具备粘度小、密度大、扩散系数大，具备优良的流动换热性
能。
45.内管2的管壁内设有真空隔热腔8，真空隔热腔8能够有效减少介质出口1处高温流体向介质入口7的低温流体的换热，有效避免热短路现象的发生。
46.外管3的管壁外侧设置有加强肋4，加强肋4沿外管的管长方向延伸设置，能够在不影响导热水泥固井的同时增大外管3与固井的导热水泥的接触面积，提高换热效率。
47.加强肋4包括四个，沿外管3的轴向方向间隔设置，间隔角度为90
°
。
48.请参阅图4和图5，外管3的下端面安装导向锥5，导向锥5的材料与外管3的材料相同，便于装置入井，装置整体材料包括但不限于不锈钢等耐腐蚀寿命长的金属。
49.外管3与内管2之间的流动空间内设置有可移动的螺旋翅片6，通过螺旋翅片6形成的螺旋通道延长换热介质的流动距离，增加了换热时间，能够使换热介质进行充分换热，另外螺旋翅片6还起到了支撑内管、提高长距离套管式地热能开发装置的结构强度、确保内外管同轴的作用。
50.本发明基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置为多段式连接，便于装置运输，为了便于现场安装，在现场安装时，通过使用套管连接螺纹9进行连接。
51.请参阅图2，内管2和外管3一端的管壁内侧设置有套管连接螺纹9，另一端的管壁外侧对应设置有套管连接螺纹9，多个内管2和外管3依次首尾设置，并通过对应的套管连接螺纹9密封连接成一体式结构。
52.本发明特别适用于废弃油气井地热取热，利用废弃油气井可省去钻井费用，减少投入成本；适用于干热岩热能取热，相比较于传统的增强型地热系统，本发明工质为闭式循环，不需要流体回灌，避免换热工质的地层流失和诱发地震灾害；对于较难开发利用的地下自燃煤层中的热能，本发明对煤层改造小，投入成本低，可为其热能的利用提供一种较好的解决方案。
53.综上所述，本发明一种基于二氧化碳工质的长距离套管式地热能开发装置，适用于废弃油气井内地热、高中温地热资源、干热岩热能和地下自燃煤层热能的开采和利用，可以实现多种地热能高效、便捷、稳定、安全地开发。内外管之间环形空间的螺旋翅片增加了二氧化碳的流动通道，延长了换热时间，提高超临界二氧化碳的出口温度，并且起到支撑内管，提高套管的结构强度的作用；内管中的真空隔热腔能够有效预防热短路，提高出口温度；外管壁面加装加强肋，增大了与固井的导热水泥的接触面积，提高了设备的换热效率。
54.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。